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Bezugnahme auf anhängige
Anmeldungen
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Diese
Anmeldung nutzt die Vorteile der vorläufigen US-Anmeldung
(U. S. Provisional Patent Application) mit der Nummer 61/230,879,
die am 2. Oktober 2009 eingereicht wurde, und der US-Patentanmeldung
mit der Nummer 12/572,752, die am 2. Oktober 2009 eingereicht wurde
und die wiederum die Priorität der vorläufigen
US-Anmeldung mit der Nummer 61/220,734, die am 26. Juni 2009 eingereicht wurde,
beansprucht.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Inspektionsgeräte
bzw. Molche zum Detektieren von Anomalien in Leitungen, Rohren und
Pipelines, und insbesondere auf Inline-Inspektionsgeräte bzw.
Molche, bei denen die Verfahren zum Detektieren von Magnetstreuflüssen
zur Anwendung kommen.
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Hintergrund der Erfindung
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Viele
verbaute Pipelines können unter Anwendung der Magnetstreufluss-Verfahren
(MFL) inspiziert werden, und zwar in erster Linie zum Zwecke der
Identifizierung von Materialverlust-Anomalien. Es hat sich gezeigt,
dass Magnetstreufluss-Verfahren in zuverlässiger Weise
auf Anomalien in der Wand der Pipeline reagieren, da die Hauptachse
der Materialverlust-Anomalie und der Feldwinkel verändert
sind. Sowohl durch die Ergebnisse von Experimenten wie auch von
Modellen konnte dieser Effekt, der auch in der Fachliteratur hinreichend
beschrieben ist, bestätigt werden.
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Aufgrund
von zum Teil Einschränkungen, die von der Datenerhebung,
der Datenspeicherung und dem Aufbau von Magnetkreisen herrühren,
wurden bei den meisten Inline-Inspektionsgeräten axial
ausgerichtete Magnetisiervorrichtungen eingesetzt (siehe z. B. das
US-Patent mit der Nummer 6,820,653 von
Schrempf et al.). Jedoch erweist sich bei den gegenwärtigen
Axialfeld-Magnetisieranordnungen die Identifizierung und die Quantifizierung
von extrem schmalen axialen Prüfmerkmalen bzw. Fehlern
als schwierig oder in einigen Fällen als unmöglich.
Für diese Prüfmerkmalstypen wurde in den vergangenen zehn
Jahren von Pipelineinspizierunternehmen eine Lösung unter
Verwendung eines Magnetfeldes in der Umfangs- oder Querrichtung
auf den Markt gebracht und in Betrieb genommen. Aufgrund der physikalischen
Beschränkungen sind jedoch die Effizienz und die Genauigkeit
dieser Quermagnetfluss-Inspektionsgeräte (TFI) allgemein
geringer als bei Axialfeld-Geräten für die übliche
Materialverlustanomalie.
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Darüber
hinaus erfordern diese TFI-Geräte typischerweise ein Minimum
von zwei Magnetisier-Anordnungen, um eine entsprechende Abdeckung
zu erreichen, weshalb diese nicht ohne weiteres oder nur unter Schwierigkeiten
in einem bestehenden Axial-MFL-Gerät eingebaut werden können.
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Für
diejenigen Pipelines, die extrem schmale Materialverlust-Prüfmerkmale
bzw. Materialverlust-Fehler oder bestimmte Typen von Schweißnahtanomalien
aufweisen können, haben Axialfeldgeräte keine
ausreichenden Detektierungs- und Quantifizierungsfähigkeiten.
In diesen Fällen werden bei Geräten, die auf MFL
basieren, entweder vorausgehende oder ergänzende Untersuchungen
unter Verwendung eines TFI-Geräts durchgeführt.
Wenngleich TFI-Geräte extrem schmale Anomalien und bestimmte
Schweißnahtanomalien detektieren können, so detektieren
sie auch sämtliche verbleibende volumetrische Materialverlust-Prüfmerkmale,
die typischerweise bei Pipelines zu finden sind, wodurch das Verfahren
zur Identifizierung ausgewählter Anomalietypen verkompliziert
wird.
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Eine
der ersten TFI-Anordnungen ist in dem
US-Patent
mit der Nummer 3,483,466 von Crouch et al. beschrieben.
Crouch offenbart ein Paar Elektromagneten, die senkrecht zueinander
mit Detektoren, wie z. B. Magnetometern oder Suchspulen, die auf
jeder Seite der Magneten positioniert sind, angeordnet sind. Anders
als bei der Verwendung von Permanentenmagneten und Sensoren in der
Art einer Hall-Vorrichtung, bildet die Anordnung von Crouch nach
wie vor die Basis für die meisten derzeitigen Anwendungen.
Darüber hinaus haben einige Anordnungen segmentierte oder
einzelne diskrete Magneten, die in den meisten Fällen die
Quer- und Umfangsrichtung des Feldes beibehalten. Z. B. offenbart
das
US-Patent mit der Nummer
3,786,684 , das auf Wiers et al. ausgestellt ist, einzelne
Magneten, die in zur Leitungsachse schräg verlaufenden
Arrays angeordnet sind, wobei das Feld eines jeden Arrays senkrecht
zu dem der anderen Arrays ist. Jedoch ist bei dieser Anordnung das
Feld auf Abschnitte und Bereiche zwischen den Polen eines jeden
einzelnen Magneten begrenzt. Darüber hinaus nimmt durch
den kurzen Polabstand, der bei einer Implementierung des Wiers-Typs
erforderlich ist, die Länge des Magnetkreises ab, so dass
das Gerät durch Verwirbelungseffekte beeinträchtigt
wird und zudem die Datenqualität betreffend Schweißungen,
Beulen oder anderen Anomalien verschleiert, verfälscht
oder verschlechtert wird.
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Andere
Anordnungen verwenden aufwändige komplexe Geometrien, mehrere
Magnetisier-Abschnitte, und aufwändige mechanische Anordnungen,
wie z. B. Spiralantriebe, Zahnräder und Räder, um
eine spiral- oder schraubenartige Bewegung des Magnetisierabschnitts
zu erreichen. Z. B. offenbart das
US-Patent
mit der Nummer 5,565,633 von Wernicke eine mechanisch komplizierte
Vorrichtung für die Verwendung mit Magnetisierabschnitten,
die zwei oder mehrere Magnetkreise und eine Vielzahl von Sensoreinheiten
aufweisen. Bei einer Ausführungsform sind die Magnetblöcke
mit spiralförmigen parallelen Polen angeordnet. Bei einer
weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den Magnetblöcken
um verdrehte Polpaare, die axial verschoben sind. Beide Ausführungsformen
erfordern eine mechanisch herbeigeführte Drehung, um eine
vollständige Abdeckung der Rohrinnenfläche zu
erreichen.
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Ähnlich
wie bei Wenicke, offenbart das
US-Patent
mit der Nummer 6,100,684 von Ramuat eine im Wesentlichen
quer verlaufende Feldmagnetisierungs-Anordnung, die mehrere Magnetisier-Abschnitte
und eine komplexe Anordnung von Rädern verwendet, um eine
schraubenartige Bewegung der Abschnitte herbeizuführen
und eine Überlappung oder eine vollständige Abdeckung
der Rohrwand zu erreichen. Das
US-Patent
mit der Nummer 7,548,059 von Thompson et al. umfasst zwei
Gleitstücke (Pole), die feststehende Magnete enthalten,
die in dicht beabstandeten Paaren angeordnet sind, um ein nominal
quer verlaufendes Feld zu erzeugen, das spiralartig um das Rohr
verläuft. Dieses Gerät – das eine Vielzahl
von beweglichen Teilen wie z. B. Spannhalterungen, Rollen, und Federn
umfasst – erfordert eine zusätzliche Komplexität,
um ausreichend flexibel zur Anpassung an die Krümmungen
in der Pipeline zu sein. Des Weiteren induzieren die Magneten bei
dieser Anordnung ein Feld zwischen zwei parallelen Polen, so dass
eine einzige geschlossene Kreisschleife zwischen den Polen der einzelnen
diskreten Magnetblöcke gebildet wird.
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Ähnlich
wie bei Thompson et al. sind die im Stand der Technik
verwendeten Magneten als Blöcke beschrieben, ohne einen
Verweis auf eine fügsame oder angleichbare obere Fläche,
die bei dem Magnetblock verwendet wird. Durch die Verwendung einer
starren Kontaktanordnung für den Magnetkreis wird die Datenqualität
durch die Entstehung von Luftspalten oder veränderlicher
magnetischer Widerstandszonen in der Magnetfeldbahn an Vertiefungen oder
entlang von Schweißungen oder anderen Störungen,
die in der Pipeline vorliegen können, verschlechtert. Bei
bestimmten Prüfmerkmalstypen werden durch Störungen,
die in dem umliegenden Feld erzeugt werden, die vorhandenen Streuflusssignale, die
von den zu untersuchenden Prüfmerkmalen herrühren, überdeckt
oder in anderer Weise verfälscht. Etwaige magnetische Anomalien,
die in Vertiefungen und Schweißbereichen existieren, sind
aufgrund ihres Vorhandenseins in diesen Zonen von größerer Bedeutung
und stellen als solche Bereiche dar, in denen die Datenqualität
kritisch ist.
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Darüber
hinaus ist beim Stand der Technik die Verwendung einer großen
Anzahl von Polen oder Flächen, die in engem Kontakt mit
der Rohrwandfläche angeordnet sind, erforderlich. Diese
Anordnung kann extrem hohe Reibungskräfte oder Widerstände gegen
die Bewegung, die von der Magnetisier-Anordnung vollzogen wird,
zur Folge haben, so dass deren Verwendung bei Anwendungen, die eine
geringe Reibung erfordern, nicht möglich ist oder verhindert wird.
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Wie
bereits angegeben, sind die Betreiber von Pipelines derzeit in der
Lage, eine Großzahl der verbauten Pipelines unter Anwendung
des Magnetstreufluss-Verfahrens (MFL), in erster Linie zum Zwecke
der Identifizierung von Materialverlust-Anomalien, zu inspizieren.
Jedoch erweisen sich für bestimmte Anomalietypen bei derzeitigen
Axialfeld-Magnetisieranordnungen, die bei den MFL-Verfahren verwendet
werden, die Detektierung und Quantifizierung von extrem schmalen,
rissartigen oder rissähnlichen axialen Prüfmerkmalen
als schwierig und in einigen Fällen als unmöglich.
Um die Detektierung und Quantifizierung dieser Prüfmerkmale
zu ermöglichen, wurden alternative Verfahren unter Anwendung
von akustischen Wellen (Ultraschall) untersucht und eingesetzt.
Diese Akustikwellen wurden typischerweise von externen piezoelektrischen
Wandlern oder elektromagnetischen Akustikwandlern (elektromagnetische-Ultraschall-Sensoren „EMUS” bzw.
electromagnetical acoustic transducer „EMAT”) erzeugt.
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Bei
den EMUS-Lösungen handelt es sich üblicherweise
um einen von zwei Grundtypen: Lorentz und magnetorestriktiv. Beide
Typen erfordern ein vorhandenes äußeres Vormagnetisierungsfeld.
Bei der EMUS-Lösung vom Lorentz-Typ ist das Vormagnetisierungsfeld
senkrecht zur Rohrwand und steht mit durch Wirbelströme
induzierte Bahnen oder Spannungen in der Rohrwand in Wechselwirkung.
Bei der EMUS-Lösung vom magnetorestriktiven Typ wird ein Vormagnetisierungsfeld
verwendet, das sich in der Ebene der Rohrwand befindet, in Axialrichtung
oder in Umfangsrichtung verläuft, und das mit magnetisch induzierten
Spannungen in Wechselwirkung steht.
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Es
ist auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
bereits hinreichend bekannt, dass die Magnetostriktion bei Stahl
weitaus effizienter bei der Erzeugung von horizontalen akustischen
Scherwellen (SH) ist, wenn sich das Vormagnetisierungsfeld bezüglich
der Sensor-Spulenleiter der EMUS in einem Winkel befindet. Dieses
Ergebnis konnte durch die Erfinder in der Anfangsphase der Entwicklung
eines EMUS-Sensorarrays gemäß der hierin offenbarten
Erfindung bestätigt werden. Bei dieser Untersuchung konnte
festgestellt werden, dass mehrere der Aussparungen, die in Testplatten
eingearbeitet wurden, unter Verwendung eines axial ausgerichteten
Vormagnetisierungsfeldes nicht detektierbar sind. Das Drehen des
Winkels der Vormagnetisierungsfeldes relativ zu der Bewegungsachse
und des EMUS-Sensors bewirkte eine Zunahme von in etwa 20 Dezibel
in dem gemessenen Signal. Diese Anordnung hatte ein weitaus größeres
Ansprechverhalten im Vergleich zum elektronischen Rauschen, so dass Hinweise
auf Risse über einer relativ gleichmäßigen Grundlinie
vorlagen.
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Folglich
sind Anwendungen mit Scherwellen unter Verwendung von EMUS-Sensorspulen,
die in einem Winkel zu dem Magnetfeld angeordnet sind, üblicherweise
den Anwendungen, bei denen die Feldebenen parallel zu den Sensorspulenleitungen liegen, überlegen
(siehe z. B.
DE 10/2007/0058043 , ausgestellt
auf Rosen Swiss AG). Die Detektierung und Quantifizierung der Spannungsrisskorrosion (SCC)
ist einer der Haupt-Typen von Anomalien, auf welche dieses Verfahren
gerichtet ist. Zusätzlich zur SCC, die typischerweise in
Axialrichtung ausgerichtet ist, ist es bekannt, dass Umfangsnähte,
die in Umfangsrichtung verlaufen, rissähnliche Prüfmerkmale aufweisen
können. Daher besteht, um ein EMUS-System insgesamt effektiv
zu gestalten, ein Bedürfnis nach einem Verfahren, das in
einfacher Weise bei der Detektierung von sowohl in Axialrichtung
als auch in Umfangsrichtung verlaufenden Prüfmerkmalen
anwendbar ist.
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Inline-Inspektionsgeräte
aus dem Stand der Technik verwenden ringförmige Arrays
aus Permanentmagneten, die parallel zur Achse des Rohres verlaufen,
um das Rohr in einer Richtung zu magnetisieren. Um den vorteilhaften
Winkel zwischen dem Vormagnetisierungsfeld und den Sensorspulen
zu erhalten, werden die Sensorspulen in Richtung auf die Rohrachse
gedreht (siehe z. B. die Kanadische Patentanmeldung mit der Nummer
CA 2,592,094 von Alers et
al.). Die Scherwellen treffen auf die Ebene der in Axialrichtung
verlaufenden SCC in demselben Winkel auf. Dementsprechend werden
die Scherwellenreflexionen der SCC lediglich von Empfangs-Sensorspulen
wirksam detektiert, die quer zur Übertragungsspule angeordnet
und in Richtung auf diese gedreht sind. Darüber hinaus
verwenden die abgeschwächten Messungen, die für
die Detektierung der Beschichtungsablösung herangezogen
werden, Empfängerspulen, die diagonal zu den Übertragungsspulen
angeordnet und in Richtung auf diese gedreht sind. Eine spürbare
Zunahme der empfangenen Signalamplitude ist ein Hinweis auf eine
Ablösung der Beschichtung.
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Es
besteht ein Bedürfnis nach einem EMUS-Gerät, das
eine vollständige Abdeckung der innern Rohrwandfläche
schafft, ohne hierfür mechanisch komplizierte Konstruktionen
zu benötigen, und das ein Feld erzeugt, das von EMUS-Sensoren
genutzt werden kann, um in Axialrichtung oder in Umfangsrichtung
verlaufende volumetrische Prüfmerkmale und die Ablösung
der Beschichtung zu detektieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Pipeline-Inspektionsgerät gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst wenigstens zwei Polmagneten, die um eine Außenoberfläche
des Gerätekörpers angeordnet sind und schräg
zur Längsmittelachse des Gerätekörpers
ausgerichtet sind. Ein Sensorarray ist zwischen zwei gegenüberliegenden Kanten
der beiden Polmagneten angeordnet. Das Sensorarray umfasst eine
Reihe oder einen Satz Sensorspulen, die in unterschiedlichen Winkeln als die
Polmagneten bezüglich der Längsmittelachse des
Gerätekörpers angeordnet sind. Folglich befindet sich
das Sensorarray in einem Winkel relativ zu dem Vormagnetisierungsfeld,
das von den Polmagneten erzeugt wird. Die Polmagneten und das Sensorarray können
sich jeweils über die Länge des Gerätekörpers
erstrecken und haben eine im Wesentlichen spiralförmige
Form. Vorzugsweise sind die Sensorspulen-Sätze senkrecht
zur Längsachse des Gerätekörpers, können
jedoch, abhängig von dem zu detektierenden Anomalie-Typ,
parallel zur Längsachse des Gerätekörpers
angeordnet sein.
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Jeder
Sensorspulen-Satz liegt einem entsprechenden Sensorspulen-Satz um
180° gegenüber, wobei ein Abschnitt des gegenüberliegenden Sensorspulen-Satzes
innerhalb eines gemeinsamen umlaufenden Bandes des Geräts
liegt. Sensorspulen-Sätze, die sich auf derselben Seite
des Gerätekörpers befinden, sind zueinander versetzt,
sind im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet und
sind im gleichen Abstand von den gegenüberliegenden Kanten
der schräg ausgerichteten Polmagneten angeordnet. Jeder
Satz Sensorspulen umfasst wenigstens eine Übertragungsspule
und wenigstens zwei gegenüberliegende Paare Empfängerspulen. Bei
einer Empfängerspule in jedem Paar kann es sich um eine
RD-Empfängerspule handeln und bei der anderen Empfängerspule
kann es sich um eine RA-Empfängerspule handeln. Da die
Sensorspulen-Sätze relativ zu dem Vormagnetisierungsfeld
verdreht sind, sind die Empfängerspulen in einer Reihe liegend
mit der Übertragungsspule und haben dieselbe Winkelausrichtung
wie die Übertragungsspule. D. h. dass die Empfängerspulen
parallel zur Übertragungsspule ausgerichtet sind und nicht
diagonal verschoben oder relativ zur Übertragungsspule
verdreht werden müssen.
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Die Übertragungsspule überträgt
einen Tonimpuls oder ein Signal, das auf die Wand des rohrförmigen
Elements, das inspiziert wird, auftrifft und zu den Empfängern
zurückkehrt. Die Empfängerspulen sind bezüglich
der Übertragungsspule beabstandet, so dass das von der Übertragungsspule übertragene Signal
nicht die Detektierung des reflektierten Signals durch die Empfängerspulen überdeckt.
Jede Empfängerspule ist so eingestellt, dass sie diese
reflektierten Signale – die normiert sein können – innerhalb
einer bestimmten Abtastzone empfangen kann und Anomalien in dem
rohrförmigen Element detektieren kann. Der Übertrager
kann dann ein zweites Signal übertragen, nachdem das erste
Signal eine vorbestimmte Anzahl oft um den Umfang des rohrförmigen
Elements gewandert ist. Abhängig von der Ausrichtung der
Sensorspulen-Sätze relativ zu den schräg ausgerichteten
Magneten, kann das Sensorarray Wand-Anomalien sowohl in Axial- als
auch in Umfangsrichtung detektieren.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetstreufluss-Gerät
(MFL) zu schaffen, das auf ein breites Spektrum von Anomalien, die
Magnetstreuflusssignale erzeugen können, anspricht. Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein MFL-Gerät
zu schaffen, das 360° der inneren Rohrwand unter Verwendung
einer einzigen Magnetisier-Vorrichtung abdecken kann, ohne mehrere Magnetisierabschnitte,
Magnetisier-Vorrichtungen, oder eine Relativbewegung zwischen den
Sensoren oder Abschnitten zu benötigen, um in der axialen Normalrichtung
verlaufende Prüfmerkmale detektieren zu können.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein MFL-Gerät
mit einem EMUS-Array zu schaffen, bei dem die Wahrscheinlichkeit,
dass Risse in der Rohrwand übersehen werden, verringert
ist und das eine verbesserte Empfindlichkeit bei kleinen Prüfmerkmale,
d. h. eine Zunahme der Signalamplitude von bis zu 20 dB, hat. Eine weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein EMUS-Array
zu schaffen, mit dem eine erhebliche Verringerung der energetischen
Anforderungen für die HF-Impuls-Erzeugung verbunden ist. Eine
noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
EMUS-Array zu schaffen, die die Selbstkalibrierung der übertragenen
Signale unter Verwendung der Empfängerspulen, die sich
näher an der Übertragungsspule befinden, umfasst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein EMUS-Array
zu schaffen, das eine geringe Störanfälligkeit
zwischen den Übertragern durch ein umlaufendes Akustikband
aufweist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine isometrische Ansicht eines in Axialrichtung ausgerichteten
Magnetisier-Aufbaus. Die Richtung des Magnetfelds verläuft
in Umfangsrichtung oder in Querrichtung zur Längsachse
des Rohres.
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2 ist
eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer Schrägmagnetisier-Anordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen spiralförmigen
Magnetpol-Aufbau verwendet. Die Polmagneten sind um 30° verdreht
oder spiralförmig angeordnet und umfassen eine flexible
oder angleichbare obere Fläche.
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3 ist
eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisier-Anordnung,
bei der die Polmagnete um 60° verdreht sind.
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4 ist
eine Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung, bei
der die Polmagneten um 90° verdreht sind.
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5 ist
eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung,
bei der die Polmagneten um 120° verdreht sind.
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6 ist
eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung,
bei der die Polmagneten um 150° verdreht sind.
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7 ist
eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung, in
der die Beziehung zwischen den beiden Enden der spiralförmig
angeordneten oder verdrehten Polmagneten gezeigt ist. Bei diesem
Beispiel sind die Polmagneten um 135° verdreht. Die angleichbare
obere Fläche eines jeden Polmagneten umfasst eine borsten-
oder bürstenartige obere Fläche.
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8 zeigt
das resultierende Magnetfeld der Schrägmagnetisieranordnung.
Die Feldrichtung ist diagonal, oder schräg, zur Längsachse
des Rohres.
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9 ist
eine Ansicht einer Ausführungsform der Schrägmagnetisieranordnung,
die ein schraubenförmiges Sensorarray umfasst, das von
einem Ende der Magnetisiervorrichtung zu dem anderen angebracht
ist, um eine vollständige Abdeckung der inneren Rohrwandfläche
zu erreichen und einen Grad der Überlappung zu erreichen,
so dass sie sich an mögliche Gerätedrehungen anpassen
kann.
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10 ist
eine Ansicht der Schrägmagnetisieranordnung in 8,
die sich in einem Rohrabschnitt befindet.
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11 ist
eine Ansicht eines Inline-Inspektionsgeräts, das die Schrägmagnetisieranordnung, eine
Axial-Magnetisiervorrichtung und einen Verformungssensorabschnitt
umfasst.
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12 ist
eine schematische Darstellung einer Seite eines Sensorarrays, das
zwei Linien oder Sätze von EMUS-Sensorspulen, die sich
zwischen zwei schräg verlaufenden Polmagneten befinden, umfasst.
Jeder Sensorspulen-Satz umfasst zwei Paare von Empfängerspulen
und eine Übertragungsspule, die zwischen den Paaren Empfängerspulen angeordnet
ist. Die Sätze sind senkrecht zur Längsmittelachse
des Inline-Inspektionsgeräts (und folglich senkrecht zur
Längsmittelachse des zu untersuchenden rohrförmigen
Elements) ausgerichtet, und jede Spule in dem Set hat eine Mittellinie
mit den anderen Spulen in dem Satz gemeinsam.
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13 ist
eine Ansicht einer Seite eines Sensorarrays mit der EMUS-Sensorspulen-Anordnung
in 12, die an ein rohrförmiges Element mit einem
Durchmesser von 24 Zoll angebracht ist.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Bevorzugte
Ausführungsformen eines Magnetstreufluss-Gerätes
(MFL-Geräts), das gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, sind im Folgenden anhand der Zeichnungen
und der darin gezeigten Bauteile näher beschrieben.
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In 1 sind
ein Nordpolmagnet 41 und ein Südpolmagnet 61 in
etwa 180° einander gegenüberliegend an einem zylindrischen
Gerätekörper 21 so angeordnet, dass die
jeweilige Längsmittellinie 47, 67 eines
jeden Polmagneten 41, 61 parallel zur Längsmittellinie 27 des
zylindrischen Gerätekörpers 21 (und folglich
parallel zu einer Längsmittelachse des untersuchten Rohres)
ist. Wenngleich sich die Polmagneten 41, 61 von
den Lösungen aus dem Stand – der Technik darin
unterscheiden, dass sich z. B. jeder Magnet 41, 61 entlang
der gesamten Länge des zylindrischen Körpers 21 erstreckt,
ist deren axiale Ausrichtung – wie hierin dargestellt – dennoch
typisch für die Lösungen aus dem Stand der Technik. Die
in dieser Art und Weise angeordneten Polmagneten 41, 61 erzeugen
ein bezüglich der Rohrwand in Umfangsrichtung oder in Querrichtung
verlaufendes Magnetfeld – wie durch die Magnetflusslinien 81 dargestellt – wobei
mehrere Magnetisierabschnitte erforderlich sind, um eine vollständige
Abdeckung der Innenwandfläche des Rohres zu erreichen.
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Bezug
nehmend auf die 2 bis 6 umfasst
eine Schrägmagnetisier-Anordnung 20 gemäß der
Erfindung einen Magnetkreis 40, der zwei spiralförmige
Polmagneten 41, 61 hat, die in etwa 180° einander
gegenüberliegend an einem zylindrischen Gerätekörper 21 angeordnet
sind. Jeder Polmagnet 41, 61 erstreckt sich zwischen
einem ersten Ende 23 und einem zweiten Ende 25 des
zylindrischen Gerätekörpers 21. Es können
auch zusätzliche Paare spiralförmiger Polmagneten 41, 61 verwendet
werden, wobei sich jeder spiralförmige Polmagnet 41 oder 61 zwischen
den Enden 23, 25 des zylindrischen Gerätekörpers 21 erstreckt
und um 360°/n von seinem benachbarten und gegenüberliegenden
Polmagneten 61, 41 beabstandet ist (wobei „n” gleich
der Anzahl der verwendeten Polmagneten 41, 61 ist).
Die Polmagneten 41, 61 haben vorzugsweise eine
flexible oder angleichbare obere Fläche 49 bzw. 69,
die zur Verringerung von Reibungskräften beiträgt
und die Auswirkungen von Verwirbelungen minimiert, wenn die Schrägmagnetisier-Anordnung 20 durch
das Innere eines Rohres bewegt wird. Durch die angleichbare obere
Fläche 49, 69 kann die Magnetisier-Anordnung 20 ausreichend
komprimiert werden, um innere Hindernisse, Krümmungen und
Verengungen in dem Rohr zu überwinden, die ansonsten eine
Beschädigung der Magnetisier-Anordnung 20 zur
Folge hätten oder deren Hindurchbewegen verlangsamen oder
verhindern würden.
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Der
Betrag der Drehung der Polmagneten 41, 61 ist
abhängig von dem Betrag der Drehung, die erforderlich ist,
um eine vollständige Abdeckung der inneren Rohrwandfläche
zu erreichen. Nacheinander Bezug nehmend auf die 2 bis 6 werden
die Polmagneten 41, 61 jeweils schrittweise weiter
verdreht oder spiralförmig angeordnet, und zwar um eine
nominale Verdrehung von in etwa 150 Grad (wie in 6 gezeigt).
Beim Verdrehen wird das zweite Ende 45, 65 des
Polmagneten 41, 61 um einen vorbestimmten Winkel
oder Betrag α relativ zu seinem ersten Ende 43, 63 versetzt
(siehe 7). Aufgrund dieses Betrages α der Verdrehung
ist die jeweilige Längsmittellinie 47, 67 eines
jeden spiralförmigen Polmagneten 41, 61 nicht
parallel zur Längsmittelachse 27 des zylindrischen
Gerätekörpers 21. Durch die Verdrehung
der Polmagneten 41, 61 wird auch das Herbeiführen
eines ausreichenden Betrags der Verdrehung der Magnetisier-Anordnung 20 begünstigt,
wenn diese durch das Innere des Rohres bewegt wird.
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8 zeigt
das Magnetfeld 80, das von einem Prototyp der Schrägmagnetisier-Anordnung 20 erzeugt
wird, der ähnlich wie die Magnetisier-Anordnung 20,
die in den aufeinander folgenden Verdreh-Darstellungen der 2 bis 6 gezeigt
ist, aufgebaut ist. Anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten
Inspektionsgeräten verläuft die Richtung des Magnetfeldes 80 diagonal
oder schräg zur Rohrachse anstatt in Umfangs- oder Querrichtung,
wobei die Magnetflusslinien 81 von den Polen 41, 61 austreten
und in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, um zu einem entsprechenden
Pol 61, 41 zu gelangen. Die Magnetflusslinien 81,
die von jedem Polmagneten 41, 61 erzeugt werden,
werden entlang der Bahn des geringsten Widerstands geführt:
in die Rohrwand und in Richtung auf den benachbarten Rohrmagneten 61, 41.
Der Winkel des Magnetfeldes 80 ist in etwa senkrecht zu
den Flusslinien 81, die von den Magnetpolen 41, 61 erzeugt werden,
und in etwa parallel zu einer Linie, welche die kürzeste
Distanz zwischen den Magnetpolen 41, 61 darstellt.
Die Richtung des Magnetfeldes 80 innerhalb der Erstreckung
der Pole 41, 61 kann in einem Bereich von 30 bis
60 Grad bezüglich der Rohrachse liegen.
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In
den 9 und 10 kann eine Schrägmagnetisier-Anordnung 20 ein
spiralförmiges Sensorarray 90 umfassen, das sich
im Wesentlichen im gleichen Abstand zwischen den verdrehten Polmagneten 41, 61 befindet
und so angeordnet ist, dass sie die Innenwandfläche W des
Rohres P vollständig abdeckt und sich jeder Drehung der
Magnetisier-Anordnung 20, die erfolgen kann, anpassen kann.
Bei den einzelnen Sensoren in dem Sensorarray 90 kann es sich
um aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren zum Detektieren von
Magnetstreuflusssignalen handeln. Das Sensorarray 90 erstreckt
sich vorzugsweise zwischen dem ersten Ende 23 und dem zweiten
Ende 25 des zylindrischen Körpers 21 (und
folglich zwischen den Enden 43, 45 und 63, 65 der
Polmagneten 41, 61) und weist einen Überlappungsgrad Δ zwischen
einem ersten Ende 91 und einem zweiten Ende 93 des
Sensorarrays 90 auf. Die angleichbaren obere Flächen 49, 69 der
Polmagneten 41, 61 (siehe z. B. 6)
können in Form von Bürsten 51, 71 vorgesehen
sein. Radiale Scheiben 31A & B helfen, die Magnetisier-Anordnung 20 vorzuschieben
und zu zentrieren, wenn sie sich in dem Rohr P unter Differentialdruck
vorwärts bewegt.
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Der
endgültige Aufbau der Schrägmagnetisier-Anordnung 20 kann
jede derzeitige Kombination von Datensätzen umfassen, einschließlich,
jedoch nicht ausschließlich, Verformungsdaten, Axial-MFL-Daten
mit hoher Magnetisierung, Intern/Extern-Unterscheidung, Trägheitsdaten
für die Vermessung, und MFL-Daten bei Niedrig- oder Restmagnetisierung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Inline-Inspektionsgeräts 10,
das eine Schrägmagnetisier-Anordnung 20 enthält,
umfasst das Gerät 10 eine axiale Magnetisiervorrichtung 100 und
einen Verformungssensorabschnitt 110 (siehe 11).
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In
Bezug auf die 12 & 13 umfasst das
Sensorarray 90 elektromagnetische Akustikwandler-Sensorspulen 95, 97 & 98 (EMUS),
die zwischen den gegenüberliegenden Kanten 42, 62 der schräg
ausgerichteten Permanentmagnetpolen 41, 61 angeordnet
sind. Die Sensorspulen 95, 97 & 98 sind vorzugsweise in
Sensorspulen-Reihen oder Sensorspulensätzen 94a–e
angeordnet, wie durch eine jeweilige Sensorspulensatz-Mittellinie 99a–e
angegeben. Jede Mittellinie 99a–e ist im Wesentlichen parallel
zu den anderen Mittellinien 99a–e und in einem
vorbestimmten Winkel γ bezüglich der Längsmittelachse 27 des
zylindrischen Gerätekörpers 21 ausgerichtet.
Ein (nicht gezeigter) Satz Sensorspulensätze, der mit den
Sensorspulen-Sätzen 94a–e im Wesentlichen
identisch ist, ist an der gegenüberliegenden Außenoberfläche
des zylindrischen Gerätekörpers 21, den
Sensorspulensätzen 94a–e in etwa 180° gegenüberliegend
angeordnet.
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Die
schräg ausgerichteten Polmagneten 41, 61 sind üblicherweise
in einem Winkel β bezüglich der Längsmittelachse 27 angeordnet,
wobei β von dem Winkel γ verschieden ist. Da die
Flusslinien 81, die von den Polmagneten 41, 61 erzeugt
werden, üblicherweise senkrecht zu den Kanten 42, 62 der
Polmagneten 41, 61 verlaufen, ist das Magnetfeld 80 um einen
Winkel ε bezüglich der Längsmittelachse 21 und
dementsprechend um einen Winkel bezüglich des Sensorspulensatzes 94a–e
verdreht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt
der Winkel γ in etwa 90°, beträgt der
Winkel β in etwa 45°, und beträgt der
Winkel ε in etwa 45°.
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Durch
das Anordnen der Sensorspulensätze 94a–e
senkrecht zur Längsmittelachse 27 des zylindrischen
Gerätekörpers 21 (und folglich senkrecht
zu der Rohrachse) kann das Sensorarray 90 Prüfmerkmale
sowohl in der Axial- wie auch in der Umfangsrichtung detektieren. Übertragungsspulen 95 erzeugen
Scherwellen 96, die sich in Umfangsrichtung um das Rohr
ausbreiten und in einem Normalwinkel (senkrecht) auf in Axialrichtung
verlaufende Risse auftreffen. Durch das Anordnen der Sensorspulensätze 94a–e
parallel zu der Längsmittelachse 27 des zylindrischen
Gerätekörpers 21 (und folglich parallel zu
der Rohrachse) kann das Sensorarray 90 Prüfmerkmale
in der Umfangsrichtung detektieren. Horizontale Schwerwellen 96 werden
entlang der Rohrwand in der Axialrichtung übertragen, so
dass Reflexionen von quer verlaufenden Rissen, wie z. B. Rissen
in Schweißnähten, detektiert werden. Anders als bei
der Ausrichtung der Empfänger bei den aus dem Stand der
Technik bekannten EMUS-Geräten müssen die Empfängerspulen 97, 98 nicht
diagonal bezüglich der Übertragungsspule 95 verschoben
oder in Richtung auf die Übertragungsspule 95 verdreht werden,
um die Vorteile eines Magnetfels 80 zu erlangen, das bezüglich
der EMUS-Sensorspulen 95, 97 & 98 verdreht ist.
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Die
Sensorspulen 95, 97 & 98 können an einem
geeigneten Mechanismus, wie z. B. an (nicht gezeigten) federvorgespannten
Unterlagen, angebracht sein, die die Spulen 95, 97 & 98 in
unmittelbarer Nähe des Innendurchmessers des Rohres halten. Die Übertragungsspule 95 induziert
geführte Scherwellen 96 in zwei Umfangsrichtungen
um das Rohr. Die Empfängerspulen 97 detektieren
Reflexionen von Spannungsrisskorrosionen (SCC) und fungieren als
Kalibrierungs-Empfänger. Die Empfängerspulen 98 detektieren
geführte Scherwellen 96, die sich von den Übertragungsspulen 95 in
der Umfangsrichtung ausbreiten. Die charakteristischen Merkmale
dieser detektierten Signale, wie z. B. die Amplitude und die Zeit
des Eintreffens, können verwendet werden, um die Prüfmerkmale,
wie z. B. das Ablösen der Beschichtung, die Korrosion oder
SCC, zu detektieren.
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Die
Empfängerspulen 97, 98 sind in einem vorbestimmten
Abstand von der Übertragungsspule 95 angeordnet,
so dass Signalantworten von den Empfängerspulen 97, 98 detektiert
werden, jedoch nicht in nachteilhafter Weise von dem ursprünglichen elektronischen
Erregerimpuls beeinträchtigt werden. Jede Übertragungsspule 95 in
einem Satz 94a–e ist mit zwei Empfängerspulen 97, 98 an
jeder Seite gruppiert. Das Sensorarray 90 umfasst vorzugsweise die
erforderliche Anzahl von Übertragungsspulen 95 und
Empfängerspulen 97, 98, um eine überlappende Abdeckung
des Detektierens von SCC und der Beschichtungsablösung
zu erreichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind
beide von zwei Sensorarrays 90 – die einander
gegenüberliegend zu Verwendung in einem Rohr mit einem
Durchmesser von 24 Zoll angeordnet sind – mit fünf Übertragungsspulen 95 und
insgesamt zwanzig Empfängerspulen 97, 98 ausgestattet.
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Jede Übertragungsspule 95 bewirkt
im Betrieb, dass sich geführten Scherwellen 96 sowohl nach
links als auch nach rechts von der Spule 95 und um den
Umfang des Rohres ausbreiten. Die Empfängerspulen 97, 98,
die sich am nächsten zur aktiven Übertragungsspule 95 befinden,
werden als erstes in einem Zeitfenster abgetastet („gated”),
um die abgehenden Wellen 96 zu empfangen, und anschließend nach
einer längeren vorbestimmten Zeitverzögerung in
einem Zeitfenster abgetastet („gated”), vorzugsweise
in dem Bereich zwischen 50 und 90 Millisekunden bei einem Rohr mit
einem Durchmesser von 24 Zoll, um Reflexionen von SCC zu detektieren.
Diese Reflexionen stammen von bestimmten Abtastzonen „Z”,
die sich zwischen den RD-Empfängerspulen 97 über
eine vorbestimmte Erstreckung „D” über
die RA-Empfängerspulen 98 hinaus erstrecken, um
die Abdeckung zu maximieren und die Störbeeinträchtigung
zu minimieren. Die Reflexionssignale sind normiert, d. h. dividiert
durch die abgehenden Signale, die in den RD-Empfängern 97 detektiert
wurden, um eine kontinuierliche Kalibrierung der Signalreflexionen
zu erreichen.
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Z.
B. ergibt bei einem 24 Zoll Rohr und einem axialen Ziel-Abtastabstand
von 6 mm (0,24 Zoll) eine Impulsrate von 390 Hz eine axiale Auflösung
von 5,1 mm (0,20 Zoll). Durch diese Impulsrate kann sich die Scherwelle 96 in
etwa 4,25 Mal um den Rohrumfang ausbreiten, bevor der zweite Impulse
oder Tonimpuls abgegeben wird. Folglich befinden sich die Überreste des
ersten Impulses zwischen den Empfängerspulen 97, 98 und
haben folglich keine Auswirkungen auf die Empfängerspulen 97, 98,
die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Gerätekörpers 21 innerhalb
des umlaufenden Bandes in dem Abtast-Zeitintervall (gate) befinden.
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Die
Scherwellen 96 befinden sich noch innerhalb der Empfangs-Zeitintervalle
während des dritten Tonimpulses, nachdem sich die Welle 96 in
etwa 8,5 Mal um das Rohr ausgebreitet hat. Unter Verwendung eines
Dämpfungsfaktors von 0,8 bei einer Ausbreitung von 2 „Fuß” bzw.
0,6096 Meter (ein Faktor der durch Laborexperimente bestimmte wurde)
hat ein Tonimpuls, der bei 100% Vollausschlag übertragen
wurde, eine Amplitude von weniger als 0,3%, wenn er an den Empfängerspulen 97, 98,
die sich auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen
Gerätekörpers 21 befinden, ankommt. Diese
Menge an Rauschen ist üblicherweise vernachlässigbar
im Vergleich zu anderen Geräuschquellen, wie z. B. thermisch
elektronisches Rauschen, das bis zu 3% des Vollausschlags erreichen
kann.
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Das
Ablösen der Beschichtung wird in den beabsichtigten Abtastzonen
Z zwischen RD-Empfängerspulen 97 und RA-Empfängerspulen 98,
die in einer Linie mit den Übertragungsspulen 95 angeordnet sind,
detektiert. Das Detektieren der Beschichtungsablösung kann
durch das Berechnen der Verhältniswerte der im Zeitintervall
gemessenen (gated) Empfängersignale ausgeführt
werden. Die Verhältnisse, die über einem festgelegten
Schwellwert liegen, sind charakteristisch für das Fehlen
der Beschichtung oder das Ablösen an dem Rohr in einer
bestimmten Zone 99.
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Bei
Untersuchungen, die von den Erfindern durchgeführt wurden,
hat ein Sensorarray 90 gemäß der vorliegenden
Erfindung die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der
Technik:
- • verbesserte Empfindlichkeit
bei kleinen Prüfmerkmalen, d. h. bis zu 20 dB Zunahme der
Signalamplitude;
- • erhebliche Verringerung der energetischen Anorderungen
der HF-Impulse,
- • vollständige Inspektionsabdeckung in Umfangsrichtung,
so dass die Wahrscheinlichkeit des Übersehens von Rissen
verringert ist;
- • Selbstkalibrierung der übertragenen Signale
unter Verwendung der Empfängerspule, die am nächsten
zu den Übertragungsspulen gelegen ist; und
- • geringere Störanfälligkeit zwischen
den Übertragungsspulen, die durch akustische Geräusche hervorgerufen
werden.
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Zusätzliche
Konfigurationen sind möglich, abhängig vom Rohrdurchmesser,
mit unterschiedlicher Anzahl von Polmagneten 41, 61,
Sensorspulen 95, 97 & 98 und Sensorarrays 90.
Für die Detektierung in Umfangsrichtung kann z. B. das
Sensorarray 90 in einem schrägen Winkel γ relativ
zur Rohrachse verdreht sein, während sie sich noch innerhalb
des ringförmigen Vormagnetisierungsfeldes 80 befindet. Zusätzlich
zu den SCC-Prüfmerkmalen und rissähnlichen Prüfmerkmalen,
können diese Konfigurationen auf Prüfmerkmale
ansprechen, wie z. B. die Beschichtungsablösung und den
Materialverlust. Das resultierende System kann auch nur als ein EMUS-System
oder in Kombination mit irgendwelchen anderen Technologien, die
bei Inline-Inspektionsgeräten zur Verfügung stehen,
einschließlich jedoch nicht beschränkt auf MFL,
Verformung, Messtaster, und Kartierung, verwendet werden.
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Wenngleich
ein EMUS-Gerät, das eine Schrägmagnetisier-Vorrichtung
und ein spiralförmiges Sensorarray verwendet, genauer beschrieben wurde,
sind dennoch Veränderungen bei den Details des Aufbaus
und der Anordnung der Komponenten möglich, ohne den Bereich
der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Ein EMUS-Gerät
gemäß der vorliegenden Offenbarung ist folglich
lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche
festgelegt, einschließlich sämtlicher Äquivalente,
die für jedes Bauelement möglich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Inline-Inspektionsgerät
- 20
- MFL-Gerät/Schrägmagnetisier-Vorrichtung
- 21
- zylindrischer
Gerätekörper
- 23
- erstes
Ende von 21
- 25
- zweites
Ende von 21
- 27
- Längsachse
von 21
- 31
- radiale
Scheibe
- 40
- Magnetkreis
- 41
- Polmagnet
- 43
- erstes
Ende von 41
- 45
- zweites
Ende von 41
- 47
- Längsmittelachse
von 41
- 49
- angleichbare
obere Fläche
- 51
- Bürsten
- 61
- Polmagnet
- 63
- erstes
Ende von 61
- 65
- zweites
Ende von 61
- 67
- Längsmittelachse
von 61
- 69
- angleichbare
obere Fläche
- 71
- Bürsten
- 80
- Magnetfeld
- 81
- Magnetfeldbahn
von Feld 80
- 90
- Sensorarray
- 91
- erstes
Ende von 90
- 93
- zweites
Ende von 90
- 94
- Linie
oder Satz von Sensorspulen 95, 97, 98
- 95
- Übertragungsspule
- 96
- von 95 erzeugte
horizontale Scherwelle
- 97
- RD-Empfangsspule
- 98
- RA-Empfangsspule
- 99
- Mittellinie
des Sensorspulensatzes 94
- 100
- Axialmagnetisier-Vorrichtung
- 110
- Verformungssensorabschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6820653 [0004]
- - US 3483466 [0007]
- - US 3786684 [0007]
- - US 5565633 [0008]
- - US 6100684 [0009]
- - US 7548059 [0009]
- - DE 1020070058043 [0015]
- - CA 2592094 [0016]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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